世界で初めてプラスチック基板上で カーボンナノチューブ集積回路の動作

世界で初めてプラスチック基板上で
カーボンナノチューブ集積回路の動作に成功
－簡単なプロセスで高性能なフレキシブルデバイスの作製が可能に－
簡単なプ
高性能な
キシブ デバイ
作製が 能
NEDO産業技術研究助成事業
（平成20年度採択課題、プロジェクトID: :08E51005a）
大野 雄高
名古屋大学大学院 工学研究科 量子工学専攻
量子ナノデバイス工学研究グループ
http://qed63.qd.nuqe.nagoya‐u.ac.jp/public‐j/
研究開発の成果
1. プラスチック基板上にカーボンナノチューブ薄膜を簡単
かつ高速に作製する技術を開発
2. 世界最高性能のカーボンナノチューブ薄膜トランジスタ
を実現
3. 世界で初めて透明で柔軟なプラスチック基板上でカー
ボンナノチュ ブ集積回路の動作に成功
ボンナノチューブ集積回路の動作に成功
研究チーム
名古屋大学
フィンランド
アールト大学
大野 雄高（准教授）
エスコ・カウピネン（教授）
孫 東明（博士研究員）
アルバート・ナシブリン（講師）
トランジスタ・集積回路の作製・評価
ランジ タ 集積回路 作製 評価
カーボンナノチューブの成長
ボンナ チ
成長
新エネルギー・産業技術総合開発機構
新エネルギ
・産業技術総合開発機構
平成20年度産業技術研究助成事業
研究開発の成果
この成果は2月6日付の英国の科学雑誌ネイチャー
ナノテクノロジー誌（注１）（電子版）に掲載されました。
（注1）ナノテクノロジー分野の専門誌として国際的にトップクラスの学術誌
（インパクト・ファクター＝26
（インパクト
ファクタ ＝26.3）
3）
http://www.nature.com/nnano/index.html
フレキシブルエレクトロニクス
‐よりスマートなユビキタス情報社会へ‐
よりスマ トなユビキタス情報社会へ
シリコン：硬い・脆い
シリコン：硬い
脆い
プラスチック：柔らかい・弾性的
プラスチック：柔らかい
弾性的
Nokia
k
Hewlett‐Packard
極限的に安く作製できれば大規模導入が可能
⇒ 紙ベースの媒体（新聞、雑誌、本、広告） から 電子媒体へ
⇒ 製造や搬送にかかるエネルギーや二酸化炭素排出量の削減にも貢献
ギ
フレキシブルエレクトロニクスに向けた
材料・デバイスへの要求
プラスチック基板上に作製できること
低温プロセス
大面積に低コストで作製できること
大気圧プロセス
高速印刷法
ロール・ツー・ロール法
各種薄膜 ラ ジ タ（ ） 比較
各種薄膜トランジスタ（TFT）の比較
材料
移動度
( 2/Vs)
(cm
/V )
製膜方法
（温度）
柔軟性
大面積
製造コスト
化学的
安定性
多結晶シリコン
30~300
化学気相成長法
(500°C)
☓
△
☓
◎
非晶質シリコン
0.5~1
化学気相成長法
(> 200°C)
(> 200
C)
△
△
☓
◎
酸化物
（InGaZnO）
1~10
スパッタ法
(室温～200°C)
(室温
200 C)
○
△
△
◎
有機半導体
0.01~10
溶液法、昇華法等
（室温）
○
◎
◎
☓
カーボンナノ
チューブ薄膜
1 ~200
溶液法、転写法等
（室温）
◎
◎
◎
◎
カーボンナノチューブ薄膜の特徴
• 高い伝導度
• 柔軟・強靱
• 透明
• 簡単・高速に形成可能
簡単 高速に形成可能
（工夫次第）
これまでの溶液プロセスでは
期待される性能は得られていない
• 分散プロセスにより短尺化
• 表面張力で凝集（バンドル化、不均一化）
表面張力で凝集（バンドル化 不均 化）
• 残留分散剤
• 接合抵抗が増大
• オフ電流が増加
• しきい値の制御が不能
本研究の方針
• 分散剤を用いない
• 表面張力のない環境で薄膜を作る
• 成長した状態の長尺で清浄なCNTを使う
• 溶液プロセスより更に簡単で高速なプロセス
気相ろ過・転写によるカーボンナノチューブ薄膜形成
‐ 簡単・高速に高性能薄膜を実現
簡単 高速に高性能薄膜を実現 ‐
１．浮遊触媒
１
浮遊触媒・化学気相成長法
化学気相成長法
触媒ガスと原料ガスを供給
大気圧・連続成長
２．気相ろ過・薄膜形成
フィルタによりCNTをろ過・薄膜形成
気相プロセス
プ
堆積時間は数秒： 高速
長尺で清浄なCNT
３．転写
予め電極を形成した基板にCNT薄膜
を転写
室温プロセス
⇒ 任意の基板に転写可能
アールト大学
名古屋大学
世界最高性能のカーボンナノチューブTFT
‐ 高移動度と高オン/オフ比を同時に実現 ‐
移動度: 35 cm2/Vs
オン/オフ 6 106
オン/オフ: 6x10
ノーマリーオフ型
リ オフ型
⇒ しきい値はドーピングにより制御可能
透明で柔軟なプラスチック基板上に
ナ
ナノチューブ集積回路を作製
ブ集積回路を作製
＊高速な印刷技術との親和性を考慮し 素子サイズを100ミクロンとして設計
＊高速な印刷技術との親和性を考慮し、素子サイズを100ミクロンとして設計
機能集積回路に必要な基本論理素子の動作を実現
現在の集積回路はNORとNANDの組み合わせで構成されている。
NOR
NAND
世界で初めてカーボンナノチューブを用いた
順序回路の動作に成功
D‐フリップ・フロップ： 1ビットの情報を保持する論理回路：計算機に必須の基本回路
X: Don’t care, *: No change
’
*
h
Master latch
Slave latch
組合せ回路： 現在の入力のみで出力が決まる
順序回路： 現在の入力と回路に記憶した過去の
入力で出力が決まる
動作速度：100kHz級動作に目処
リング発振器： 反転器をリング状に接続した発振器
信号の伝播遅延により発振周波数が決まる
⇒ 論理ゲートの動作速度を評価
反転器21段と出力バッファ：TFT 44個を集積
反転器1段あたりの遅延時間：
12 マイクロ秒 ⇒ 83 キロヘルツ
印刷可能な100ミクロンの大きさのTFTにおいて、100kHz級の回路動作に目処
ロール・ツー・ロール法への展開が可能
大気圧・連続成長
大気圧
連続成長
高速成膜
今回開発した技術
室温プロセス
任意の基板
高性能フレキシ
ブル集積回路
今後導入する技術